人類皮膚作為一個天然的、顯著的綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以將環(huán)境刺激（即張力、壓力、溫度和振動）轉(zhuǎn)變成電信號，然后由大腦處理，以產(chǎn)生有效的指令。受生物皮膚這種多感官特征的啟發(fā)，具有類似特征的電子皮膚（e-skins） 被提出并逐漸發(fā)展成為眾多新型應(yīng)用的有效工具。

為了獲得模仿甚至超越生物皮膚的高性能電子皮膚，人們開發(fā)了新的材料和合理的制造方法來構(gòu)建集成的電子器件。過渡金屬碳化物和氮化物（MXenes）已經(jīng)被認(rèn)為是下一代電子皮膚傳感器中蓬勃發(fā)展的導(dǎo)電劑，這歸功于其巨大的親水性和高電子傳導(dǎo)率。然而，盡管取得了諸多成就，但基于MXenes的電子皮膚的工作只集中在傳感能力的設(shè)備優(yōu)化上，而缺乏對另一個關(guān)鍵功能的研究，即視覺識別。機(jī)械傳感信息和視覺信號可以通過使用多組件集成電子器件同時獲得，但這需要一個極其復(fù)雜的制造過程。盡管已經(jīng)取得了一些有希望的進(jìn)展，但仍然迫切需要探索簡單的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高能效的多模態(tài)融合。

用戶交互式電子皮膚可以將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為可區(qū)分的輸出，在可穿戴設(shè)備和健康護(hù)理應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。然而，現(xiàn)有的設(shè)備有一些缺點(diǎn)，如復(fù)雜的集成程序和缺乏直觀的信號顯示功能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于此，同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院陳峰研究員、賀石生教授團(tuán)隊和上海交通大學(xué)崔大祥教授團(tuán)隊提出了一種生物啟發(fā)的用戶互動電子皮膚，它結(jié)構(gòu)簡單，可以在外部機(jī)械刺激下同步實現(xiàn)數(shù)字電反應(yīng)和光學(xué)可視化。

數(shù)字視覺融合電子皮膚的制備示意圖

此外，該電子皮膚包括一個具有碳納米管/納米纖維素/MXene納米混合網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電層和一個可拉伸的彈性體層，后者由硅橡膠和熱變色顏料組成，可以在電壓輸入下產(chǎn)生可控的熱能，然后實現(xiàn)硅基彈性體的動態(tài)著色。

施加直流電壓對電子皮膚的焦耳加熱性能

電子皮膚的熱機(jī)械變色效果及應(yīng)用實例

特別是，這種創(chuàng)新的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和視覺圖像的融合策略使電子皮膚能夠更加直觀和準(zhǔn)確地監(jiān)測如手寫、飲水、行走和說話等人體活動。所展示的電子皮膚的簡單設(shè)計理念和可靠的操作，有望為下一代柔性電子器件提供一個理想的平臺。相關(guān)研究以“Bioinspired MXene?Based User?Interactive Electronic Skin for Digital and Visual Dual?Channel Sensing”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。

電子皮膚用于檢測各種生理運(yùn)動的響應(yīng)信號

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種生物啟發(fā)的柔性電子皮膚，它整合了機(jī)電傳感和光學(xué)顯示，以實現(xiàn)視覺運(yùn)動監(jiān)測。該電子皮膚制造簡單，為新型柔性電子器件的設(shè)計翻開新的篇章，并在可穿戴設(shè)備、人機(jī)互動和軟智能機(jī)器人等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00838-0

審核編輯 ：李倩